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Nature | 疟原虫肝脏期时空分辨图谱

来源:2023-01-18

  疟疾是由疟原虫属寄生虫引起的蚊媒传播疾病,一只感染的雌性按蚊叮咬哺乳动物宿主时能给其传递100个孢子,这些孢子穿过皮肤,沿血液抵达肝脏。随后,寄生虫用质膜将自己包裹[1],形成寄生液泡,并迅速复制形成有几千个核的共核细胞,肝脏阶段结束时(感染48-60h后)[2],数千个孢子被释放至血液,引发病理状态。 

  疟疾感染涉及一个必经的、但在临床上无症状的肝脏阶段(或叫肝期)[3,4]。肝细胞在被称为小叶的重复单元中运作,沿小叶轴线的基因表达模式具有异质性[5],但分子水平上肝细胞分区对寄生虫发育的影响仍然未知。 

  近日,来自以色列魏茨曼科学研究所的Shalev Itzkovitz和来自葡萄牙葡京大学医学院的Maria M. Mota共同在Nature上发表了题为A spatiotemporally resolved single-cell atlas of the Plasmodium liver stage的文章。文章结合单细胞RNA测序和单分子转录本成像对宿主和寄生虫的时空表达进行刻画,为研究疟原虫感染的肝脏阶段提供资源,强调了寄生虫和宿主肝细胞的异质性。 

  

  作者向小鼠注射表达GFP的伯氏疟原虫(单次注射10^6),在不同时间点(注射后2,12,24,30,36h)对其进行安乐死收取肝脏进行单细胞RNA测序,同时包埋肝脏组织以进行单分子荧光原位杂交(smFISH)。作者发现无论是否被感染,肝细胞都呈现出清晰的区域表达特征(图1。无监督聚类在转录组上将细胞分为9个类群,其中,被称为活化肝细胞的一类富集在未被感染的肝细胞中,而注射2h后,所有的肝细胞与组织解离相关的应激表达都提升,smFISH显示其水平并不随时间升高。有趣的是,在被蚊子叮咬的小鼠中作者也观察到了类似现象,同样发生在2h后,提示解离压力信号起源于感染过程。 

  

  1 疟原虫肝脏期宿主——病原体单细胞图谱 

  接下来,作者依据推断区域将肝细胞分层,对位于相似小叶坐标并在相同时间点采样的感染和未感染的肝细胞进行差异基因表达分析。作者发现感染的肝细胞富集TNF信号、IFNαIFNγ响应及谷胱甘肽代谢相关途径,下调脂肪酸代谢、胆汁酸代谢等过程,smFISH和蚊虫叮咬模型验证了这一点。随后,作者计算了感染肝细胞的区域分数,显示中心区域的感染在所有时间点上都是最多的,结合smFISH分析,作者发现中心区域的肝细胞寄生虫比周边区域的肝细胞寄生虫存活和发育率更高。 

  那么较晚时间点的周边区域肝细胞寄生虫转录本丰度低的原因是什么呢?作者分析了注射后36h感染肝细胞的scRNA数据,发现它们呈现明显的两群,较小的一群富集周边区域肝细胞且细胞中寄生虫reads数目更低。这一类群富集的基因与免疫程序相关,于是作者猜想这些干细胞构成了一种区别于寄生虫逃逸的状态,smFISH分析显示液泡破裂,出现时期偏早等,基于此,作者将这些细胞命名为流产肝细胞流产肝细胞的比例随注射后时间的延长而提升,而感染肝细胞的中心区域偏倚性随流产肝细胞的比例增加而增加,这些细胞会表达编码热休克蛋白的基因,且它们的一些寄生虫基因的mRNA定位也会发生改变。 

  最后,作者探究了寄生虫肝脏阶段的发育程序。感染肝细胞根据注射后时间分群,拟时序分析显示早期基因包括孢子基因和编码RNA聚合酶及泛素的基因,而后寄生虫会上调嘌呤代谢基因,DNA聚合酶,糖酵解,糖异生和丙酮酸代谢相关基因,最后,寄生虫诱导表达生物素代谢和脂肪酸代谢相关基因。周边区域肝细胞寄生虫和中心区域肝细胞寄生虫在后期表达基因稍有差异。 

  综上,文章鉴定了寄生虫在不同区域的基因表达,发现寄生虫在中心小叶周围区域的发育更为迅速并确定了一个偏向于周边区域的肝细胞亚群,它们中疟原虫转录本水平降低,寄生虫空泡破裂。这些 "流产肝细胞"主要出现在高寄生虫接种量的情况下,它们上调免疫募集和关键信号程序。 

  

  (来源:BioArt 

  参考文献: 

  1.Nyboer, B., Heiss, K., Mueller, A.-K. & Ingmundson, A. The Plasmodium liver-stageparasitophorous vacuole: a front-line of communication between parasite and host. Int. J.Med. Microbiol. 308, 107117 (2018). 

  2. Graewe, S. et al. Hostile takeover by plasmodium: reorganization of parasite and host cellmembranes during liver stage egress. PLoS Pathog. 7, e1002224 (2011).1. 

  3. Despommier, D. D. et al. Parasitic Diseases 6th edn (Parasites Without Borders, 2017). 

  4. Vaughan, A. M. & Kappe, S. H. I. Malaria parasite liver infection and exoerythrocyticbiology. Cold Spring Harb. Perspect. Med. 7, a025486 (2017). 

  5. Ben-Moshe, S. & Itzkovitz, S. Spatial heterogeneity in the mammalian liver. Nat. Rev.Gastroenterol. Hepatol. 16, 395410 (2019). 

   链接:https://www.nature.com/articles/s41586-022-05406-5